王雪梅
(中國石化集團四川維尼綸廠,重慶長壽,401254)
中國石化集團四川維尼綸廠3萬噸/年乳液裝置反應器換熱器HX100是固定管板式換熱器,該換熱器從1990年投用至今,由于墊片質量差選型不當、封頭密封面損傷變形等原因,導致近兩年來封頭密封處頻繁發(fā)生泄漏。一旦發(fā)生泄漏就必須停車緊固連接封頭的雙頭螺栓,緊固后仍然泄漏就必須更換封頭密封墊片,嚴重制約乳液裝置的安穩(wěn)長生產(chǎn)。為了減少裝置非計劃停車次數(shù),提高VAE產(chǎn)量,達到降本增效的目的,解決該換熱器封頭泄漏具有極其重要的意義。
反應器換熱器HX100規(guī)格型號為φ900mm×7844mm,管束材質為不銹鋼304,管束規(guī)格型號為φ25mm×3mm。管程介質設計壓力為8.3MPa,殼程介質設計壓力為0.69MPa;管程介質最高操作壓力為7.23MPa,殼程介質最高操作壓力為0.5MPa。管程介質為VAE乳液,殼程介質為循環(huán)水。
HX100是乳液裝置生產(chǎn)醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(簡稱VAE)的反應器換熱器,是生產(chǎn)乳液的重要設備,其作用是在反應升溫階段通過熱水對物料進行預熱,反應開始以后用低于30℃的循環(huán)冷卻水將反應熱撤走。該換熱器管程介質VAE乳液是白色粘膠狀液體,隨著使用時間增長,管程內(nèi)壁粘有的乳液會逐漸增多,當換熱效果不能滿足生產(chǎn)要求即批料反應時間過長難以繼續(xù)生產(chǎn)時,就必須拆除封頭清洗列管。HX100工藝流程簡圖如圖1所示。
反應器換熱器HX100從投用至今已經(jīng)20多年了,由于管程介質是白色粘膠狀液體,在正常生產(chǎn)的情況下,一個大修周期就要拆封頭清洗一次管程,基本上每兩年拆裝一次。換熱器封頭拆裝次數(shù)多了,密封面損傷和變形比較嚴重。近兩年封頭密封處頻繁發(fā)生泄漏,一旦泄漏就必須停車緊固連接螺栓,緊固后仍然泄漏就必須更換密封墊片,嚴重制約乳液裝置的安穩(wěn)長生產(chǎn)。對乳液車間現(xiàn)場《交接班記錄》、《值班長記錄》和《設備巡檢記錄》進行調(diào)查,統(tǒng)計近一年來VAE裝置HX100封頭泄漏50次:其中緊固螺栓43次,更換封頭墊片7次。停車總時間為270小時,產(chǎn)量損失1035噸。封頭法蘭密封處泄漏情況如圖2所示。
圖1 HX100工藝流程簡圖
圖2 封頭法蘭密封處泄漏
醋酸乙烯與乙烯共聚反應生成乳液的過程是間歇性的生產(chǎn)過程,反應前需要加熱,反應時需要放熱,反應整個過程涉及升溫和降溫兩個階段,反應溫度首先從常溫升至82℃,最后又從82℃降至常溫,溫度交替變化對墊片和螺栓的使用壽命都有一定的影響。特別是裝置停車較長時間(超過8小時以上)再運行時,由于溫度升降的影響,以及墊片和封頭材質的膨脹和收縮差異導致封頭發(fā)生泄漏,一天溫度反復升降八次,溫度交替變化會使法蘭的密封性由于熱膨脹以及彈性模量變化而導致剩余預緊力發(fā)生變化,從而影響法蘭的密封性能。在高溫和溫度波動的工況下,螺栓容易產(chǎn)生熱變形,導致墊片松弛,密封面發(fā)生泄漏。
在操作過程中系統(tǒng)壓力并不是恒定不變的,而是在一定的范圍內(nèi)波動,特別是在裝置非正常生產(chǎn)的情況下,壓力波動幅度相當大。壓力在波動過程中,勢必造成螺栓的不斷伸縮,以補償壓力升降導致的密封比壓的變化。在壓力不斷變化過程中,螺栓的疲勞強度降低,相應的補償壓力達不到密封要求,最終造成密封失效,從而換熱器封頭密封處發(fā)生泄漏。
HX100封頭密封面采用的是凹凸面密封。裝配封頭時要先放置密封墊片,特別是下封頭凹槽密封口朝下,必須先將密封墊片放置在凹槽內(nèi),吊裝時由于封頭受力不均勻,導致封頭發(fā)生部分位移,損傷墊片導致密封不嚴發(fā)生泄漏。每個封頭上、下均有32顆雙頭螺栓,緊固時未按照對角螺栓均勻、對稱緊固,導致螺栓預緊力不均勻而發(fā)生泄漏。
HX100封頭密封墊片以前一直采用的是基本型金屬纏繞墊,其尺寸為φ965×φ927×4.5。該墊片直徑大、密封寬度窄,強度不好保證。在裝配時,由于金屬纏繞墊片受力不均勻易造成分層散開,導致密封效果不好。在封頭發(fā)生泄漏時,拆開后經(jīng)常發(fā)現(xiàn)墊片已經(jīng)散開。基本型金屬纏繞墊片致密度不夠,變形量較大,裝配時容易損壞,鋼帶和石墨帶分層散開,但其在凹凸面內(nèi)裝配過程中不容易被發(fā)現(xiàn)。墊片質量差,主要是因為:(1)部分金屬纏繞墊片壓縮率達不到國家標準要求。壓縮率是金屬纏繞墊片的重要性能指標。墊片在正常的安裝預緊力下,壓縮量過大,容易造成墊片結構破壞,壓縮率過小,使用時需要初始安裝預緊力較大,在正常設計的安裝預緊力下不易達到密封效果,容易造成介質的泡、冒、滴、漏。根據(jù) GB/T4622.3-2007《纏繞式墊片技術條件》規(guī)定[1],柔性石墨金屬纏繞墊片的壓縮率為18%-30%。(2)部分金屬纏繞墊片的回彈率不合格。墊片的回彈率是墊片卸載至初始載荷時,墊片恢復彈性的能力。墊片的回彈率大表明墊片的補償能力強,密封效果好。按照 GB/T4622.3-2007《纏繞式墊片技術條件》規(guī)定,柔性石墨金屬纏繞墊片回彈率≥17%。金屬纏繞墊片分層失效如圖3所示。
圖3 金屬纏繞墊片分層失效
2010年車間更換了附著乳液較多、銹蝕較嚴重的封頭螺栓,更換后封頭泄漏的次數(shù)更為頻繁。因為使用一段時間以后,原來緊固的螺栓已經(jīng)發(fā)生松動,不再緊固可靠。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),更換后的螺栓強度比更換前的螺栓強度差,特別是HX100下封頭螺栓更換較多的,幾乎半個月就泄漏一次,嚴重影響裝置安穩(wěn)長運行。螺栓強度不夠,導致螺栓在長期受力的情況下發(fā)生緩慢的延伸變形,時間長了發(fā)生松動而導致封頭泄漏。為保證密封系統(tǒng)緊密不漏,安全可靠地長周期運行,墊片表面必須有足夠的密封比壓。過小的螺栓預緊力使受壓后墊片表面的殘余壓緊應力達不到工作密封比壓,從而導致密封面泄漏。增加螺栓預緊力,可以提高墊片的密封能力,但過大的螺栓預緊力,會使墊片失去彈性,甚至把墊片壓壞或擠出,不能保證其在工作狀態(tài)下有足夠的彈性。另外,在實際安裝中,難以控制螺栓預緊力的準確性,擰緊螺栓順序不當,也可造成墊片彎曲或纏繞片解體。
反應器換熱器HX100從1990年投用至今,經(jīng)過幾十次的拆卸封頭、清洗列管和復裝封頭,由于金屬纏繞片與石墨纏繞片分層散開,或者封頭拆離后密封面未作保護等原因,導致封頭凸面密封經(jīng)常發(fā)生損壞,車間已進行過多次離線修復封頭凸面密封。換熱器筒體管板密封面使用二十多年,也發(fā)生了局部變形。因為檢查筒體管板凹槽密封面時沒有發(fā)現(xiàn)明顯的傷痕,封頭凸面密封也沒有發(fā)現(xiàn)傷痕,并且封頭凸面密封大修期間修復過,可以排除變形的可能,故泄漏情況應該是筒體管板密封面變形引起的。換熱器HX100下封頭下法蘭與管道法蘭軸向中心位移偏差高達13mm,每次安裝都必須用手動葫蘆牽引管道校正封頭法蘭和管道法蘭的中心。連接螺栓穿裝困難,設備法蘭和管道法蘭不能做到無應力安裝,導致封頭承受附加外力,這也是引起密封面損壞,封頭法蘭密封處泄漏的原因之一。換熱器的封頭法蘭和管板法蘭密封面都沒有車削密封水線,導致墊片密封效果不好。如果密封面車削了密封水線,當墊片壓緊時,墊片填滿密封水線,使得密封面上沒有泄漏通道,從而提高密封效果。被損傷的封頭密封面如圖4所示。
圖4 被損傷的封頭密封面
基本型金屬纏繞墊,在裝配時墊片容易損壞,鋼帶和石墨帶比較容易分層散開,但其在凹凸面內(nèi)裝配過程中不容易被發(fā)現(xiàn),故需對密封墊片重新選型。通過查閱相關資料,決定更換為紫銅墊片。紫銅墊片屬于金屬包覆墊片的一種,具有良好的耐腐蝕性,耐磨性和抗壓性,尤其抗壓性能更加突出,特別適用熱交換器、壓力容器等高溫高壓密封部位。它能有效防止墊片的散架、介質的侵蝕,同時也提高了耐壓性能。紫銅墊片主要適用于直徑較大的壓力容器(如換熱器、反應器等)法蘭的密封。2012年3月大修期間實施了上述措施,將基本型金屬纏繞墊更換為紫銅墊片,使用至今未發(fā)生泄漏。
反應器換熱器HX100的法蘭螺栓規(guī)格為M45×480,原來采用美國進口的符合ASTM A193-B7要求的雙頭螺栓,六角螺母符合ASTM A193-2H的要求。2010年車間更換了附著乳液較多、銹蝕較嚴重的封頭螺栓,該批螺栓全是國產(chǎn)的,而且是普通換熱器用螺栓,因為車間沒有專門為該換熱器準備備用螺栓。為了保險起見,還專門增加了凱特克公司生產(chǎn)的止退墊圈,由凱特克公司派技術人員到現(xiàn)場用專用扳手安裝,但是兩年時間封頭法蘭密封處仍然發(fā)生了6次泄露。為此,2012年系統(tǒng)停車大修,我們對螺栓重新進行采購及驗收,螺栓標準采用JB/T4707-2000,材質采用35CrMoA,按 GB/T3077的規(guī)定,并經(jīng)調(diào)質熱處理后進行力學性能試驗,拉伸試驗方法按GB228的規(guī)定,沖擊試驗方法按GB/T229的規(guī)定[2]。螺柱用毛坯回火溫度≥560℃;σb≥805MPa;σs≥ 685MPa。六角螺母用鋼30CrMoA,按GB/T3077的規(guī)定,并經(jīng)調(diào)質熱處理。調(diào)質狀態(tài)使用的螺母用鋼,其回火溫度應高于組合使用的螺柱用鋼的回火溫度[2]。嚴格按 GB150-1998要求驗收雙頭螺柱、六角螺母。重新更換上的雙頭螺栓及六角螺母,提高了疲勞強度,配合重新選型采購的紫銅墊片一起使用后,封頭密封處至今沒有再發(fā)生泄漏。
首先檢查密封面的變形情況,再根據(jù)檢查結果決定修復數(shù)據(jù)。對上、下封頭進行離線密封面修復,筒體凹面密封進行在線車削,凹面密封修復后深度加深。為了不改變密封墊片的設計尺寸,特地用氬弧焊將封頭凸面密封堆高3mm之后再進行車削。筒體和封頭密封面都要求加工出密封水線,深度為0.4mm,以增強密封效果。
筒體和封頭密封面按如下技術要求進行修復:
(1)密封面修復后平面度要求在0.1mm以內(nèi)。
(2)密封面修復公差要求:a.凹面內(nèi)徑924mm(+0.000,-0.813),外徑 968mm(+0.000,-0.813);b.凸面內(nèi)徑927mm(+0.813,-0.000),外徑 965mm(+0.813,-0.000);c.凹面高度6.35mm,凸面高度6.6mm(+0.8,-0)。
(3)密封面表面粗糙度在Ra3.2~6.8μm之間。通過咨詢和考察,最后決定由實用動力(中國)有限公司到裝置現(xiàn)場利用在線修復設備對筒體密封面進行修復。利用氣源做動力在線進行密封面變形檢查和修復,檢查發(fā)現(xiàn)筒體密封面平面度最大變形有0.24mm,切屑加工深度0.3mm,修復后平面度最大0.08mm,一般都在0.03mm,密封水線加工符合要求,滿足修復技術要求。在線修復設備及工作狀態(tài)如圖5所示。
離線修復的封頭密封面,均按要求加工了密封水線,修復后的密封面高度在原來的基礎上加高了1.15mm,達到7.5mm,內(nèi)外徑達到要求。密封面修復后,密封效果非常明顯。在線修復后已車出密封水線的筒體凹槽密封面,如圖6所示。
圖5 在線修復設備及工作狀態(tài)
圖6 在線修復后已車出密封水線的筒體凹槽密封面
采取以上措施前,HX100封頭密封處泄漏50次,采取措施后封頭密封處泄漏0次,同比增加乳液產(chǎn)量1035噸,每噸純利潤為2023元,故增加產(chǎn)量直接經(jīng)濟效益為:1035×2023=2093805元;改造后少拆裝封頭,相比改造前節(jié)約維修費用31625元;減少停、開車節(jié)約公用工程費用為4572元;更換密封墊片、封頭法蘭螺栓螺母,修復封頭法蘭密封面共花費90860元。綜合經(jīng)濟效益為:2093805+31625+4572-90860=2039142元。
換熱器HX100實施上述措施后,封頭密封處未再發(fā)生泄漏,同比增加乳液產(chǎn)量1035噸;換熱器檢修頻率和維修成本大幅下降;職工的勞動強度得以減輕;同時減少廢水排放量264噸,為裝置的降本增效、安穩(wěn)長周期運行做出了貢獻。
[1]GB/T4622.3-2007(金屬纏繞墊片技術條件)[S].
[2]GB150-1998(鋼制壓力容器)[S].